CN106507993B - 一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，包括资源配置管理模块、模拟阵列开关模块、信号处理模块和可重构等效器；资源配置管理模块根据仿真试验模式的需求，控制模拟阵列开关进行通道选择，以及对实时仿真网络的数据交换内容进行调度管理；模拟阵列开关模块用于对飞行器控制系统各分组件、可重构等效器和各种仿真设备之间的切换；信号处理模块对飞行器控制系统分组件、可重构等效器的输入输出信号进行信号转换；可重构等效器对飞行器控制系统各个组件或者仿真所需外部环境的等效模拟。该发明可实现在不同研制阶段、不同仿真试验模式和不同控制方案的灵活配置与切换，在飞行器控制系统地面半实物仿真系统中极具应用潜力。

Description

一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器

技术领域

本发明涉及飞行器控制系统地面半实物仿真技术领域，特指一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，它使得半实物仿真系统具备资源可配置和可重构能力。

背景技术

飞行器控制系统半实物仿真试验是一种为飞行器控制系统设计提供技术支持，为飞行器总体方案可行性、优化设计和系统鲁棒性评估提供依据的重要手段。但是，传统的半实物仿真系统存在一系列问题，主要表现在：

1.在传统的飞行器控制系统半实物仿真试验中，需要通过人工方法，频繁改变飞行器控制系统各分组件及其对应等效仿真设备等的连接状态，以实现仿真试验模式的切换，进行模型和实物之间的校核和对比分析，这种方法效率低，出错率高。不便于不同仿真试验模式之间、不同控制方案之间、不同飞行器控制系统组件之间的仿真试验结果的对比分析；

2.当新研一套飞行器控制系统时，需要对配套的半实物仿真系统进行大幅改造，资源浪费严重，系统软硬件改造工作量大，周期长；

3.传统的半实物仿真系统未考虑飞行器控制系统设计验证问题，控制系统设计平台和仿真试验平台相互独立，由于两个平台共用了大量参数或模型，如总体参数、气动模型、运动模型等，导致系统技术状态管理复杂，频繁的状态切换容易引起信息匹配问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术问题，本发明提出一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，通过基于通用资源可重构等效器的设计和多路模拟阵列开关模块的设计，使得半实物仿真系统具备资源可重构和可配置的能力，将飞行器控制系统设计平台溶入到仿真试验平台中，从而实现在同一平台中完成不同研制阶段、不同仿真试验模式的仿真试验结果分析工作。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，其特征在于：包括资源配置管理模块、模拟阵列开关模块、信号处理模块和可重构等效器；

所述资源配置管理模块根据仿真试验模式的需求，控制模拟阵列开关进行通道选择，以及对实时仿真网络的数据交换内容进行调度管理；

所述模拟阵列开关模块用于对飞行器控制系统各分组件、可重构等效器和各种仿真设备之间的切换；

所述信号处理模块对飞行器控制系统分组件、可重构等效器的输入输出信号进行信号转换；

所述可重构等效器对飞行器控制系统各个组件或者仿真所需外部环境的等效模拟。

进一步，所述资源配置管理模块调用仿真模式及其对应的各仿真设备上的信号调度管理表，信号调度管理表设置了该仿真设备每路输入或输出信号是否允许操作。

进一步，所述的模拟开关阵列模块，按飞行器控制系统组件进行信号分组，针对每组信号确定需要切换的信号，进行多通道模拟开关切换。

进一步，所述可重构等效器，包括组件模型构造模块和各种硬件资源构成；硬件资源包括数字输入输出(DIO)资源、模拟采集(AD)资源、模拟输出(DA)资源、计数器资源、可编程逻辑器件(FPGA)资源、微处理器资源和扩展资源接口部分；所述组件模型构造模块实现飞行器控制系统组件的等效模拟。

本发明适用于飞行器控制系统的半实物仿真系统，通过把各种仿真资源、仿真设备连接到仿真资源接口适配器的方式，可实现在半实物仿真系统中灵活配置各种资源，甚至重构资源，方便半实物仿真试验的组织和半实物仿真系统的改造。

本发明通过采用一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，使得半实物仿真系统具备了资源可配置和可重构的特性。其优点包括：(1)通过对飞行器控制系统分组件实物、可重构等效器和仿真设备的配置管理，实现了多种仿真试验模式的切换；(2)当飞行器控制系统切换时，仅需要更换仿真资源接口适配器即可开展仿真试验，极大减少了设备改造工作量，节约了成本；(3)在飞行器控制系统设计阶段，由于还没有飞行器控制系统实物，此时，可利用可重构等效器模拟飞行器控制系统的全部组件，在该模式下进行仿真评估，从而将飞行器控制系统设计与仿真试验统一到相同的试验平台，极大提高了飞行器控制系统设计效率，降低了设计风险，缩短了研制周期。

附图说明

图1飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器示意图

图2仿真试验模式切换示意图

图3飞行器控制系统半实物仿真信息流示意图

具体实施方式：

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，但本发明要求保护的范围不局限于实例表述的范围。

如图1所示，该发明的核心在于半实物仿真资源接口适配器，它包括资源配置管理模块、模拟阵列开关模块、信号处理模块和可重构等效器。

图1所示的弹载控制器、敏感装置和执行机构是飞行器控制系统典型分组件，作为参试产品连接至半实物仿真资源接口适配器；实时仿真网络将半实物仿真系统的各种仿真设备，包括仿真计算机、专用等效器、多通道负载台、三轴电动转台、半实物仿真资源接口适配器及其它仿真设备通过一种诸如高带宽高速光纤实时网络连接在一起，通过它进行高速实时数据交换；仿真计算机是飞行器空中运动解算平台，它将飞行器姿态运动、质心运动的参数通过实时仿真网络传送给各个仿真设备；专用等效器是指系统已有的设备等效器，诸如：惯组等效器、舵系统等效器等。一方面，专用等效器接收仿真计算机从实时网络发送的运动参数，另一方面，它将运动参数变换为飞行器控制系统所需的电气信号；多通道负载台从实时仿真网络接收仿真计算机发出的铰链力矩参数，它将模拟飞行过程将该铰链力矩施加到执行机构的各个通道上；三轴电动转台从实时仿真网络接收仿真计算机发出的姿态运动参数，它将模拟飞行器空中三自由度的姿态运动，为真实惯组提供一个空中工作环境。其它仿真设备是指半实物仿真系统中可能连接的记录、模拟、视频显示等设备。

通过资源配置管理模块的设计，可实现对飞行器控制系统分组件、可重构等效器和各种仿真设备进行综合调度和配置管理。一方面是根据仿真试验模式的需求，控制模拟阵列开关进行通道选择；另一方面是根据仿真计算机、各种仿真设备和可重构等效器等数据通讯要求，对实时仿真网络的数据交换内容进行调度管理。

通过模拟阵列开关模块的设计，它根据资源配置管理模块的通道选择配置信息，为飞行器控制系统各分组件、可重构等效器、专用等效器之间构建连接通道，从而实现在不改变硬件状态的前提下，进行飞行器控制系统各分组件、可重构等效器和各种仿真设备之间的切换，达到多种仿真试验模式的灵活配置的目的。

通过信号处理模块的设计，对飞行器控制系统分组件、可重构等效器的输入输出信号进行信号转换，从而实现了从通用硬件资源(即可重构等效器的硬件资源)到飞行器控制系统各个组件之间的信号调理、转换和各种电气处理，这些信号包括：敏感装置信号、控制指令信号或执行机构反馈信号。

通过可重构等效器的设计，可实现对飞行器控制系统各个组件或者仿真所需外部环境的等效模拟，它由组件模型构造模块和各种硬件资源构成，硬件资源包括数字输入输出(DIO)资源、模拟采集(AD)资源、模拟输出(DA)资源、计数器资源、可编程逻辑器件(FPGA)资源、微处理器资源和扩展资源接口等部分。其中，组件模型构造模块为通用计算机或者嵌入式系统，一般安装由针对待模拟组件而编写的组件模拟程序，通过程序实现飞行器控制系统组件的等效模拟。上述模型为本领域常用模型，可参见飞行器导航制导与控制专业的教程；仿真过程中，它通过实时仿真网络接收仿真计算机发送过来的运动参数，经“组件程序”解算、转换后，输出给相应硬件资源，然后送至信号处理模块。由于组件模型构造模块通过软件编程方式实现了组件模型的重构，而各种硬件资源通用性很强，因此，可实现基于通用仿真资源的可重构等效器设计，为飞行器控制系统组件实物和组件模型之间的灵活配置和管理奠定基础。

通过上述技术设计方案，本发明就可实现仿真试验模式的切换、飞行器控制系统的更换、飞行器控制系统设计的半实物仿真验证。

(1)仿真试验模式切换

首先，根据弹载控制器、敏感装置和执行机构的特性，进行可重构等效器设计。包括两步：(1)分别建立弹载控制器模型、敏感装置模型和执行机构模型，并根据弹载控制器、敏感装置和/或执行机构的信号特性，配置到可重构等效器相应的DIO资源、AD资源、DA资源、计数器资源、FPGA资源、微处理器资源等上。(2)在组件模型构造模块中编写程序实现这些模型的解算功能。其中，弹载控制器模型从可重构等效器的硬件资源中读取敏感装置信息和执行机构反馈信息，其模型解算输出为控制指令信息，该信息通过可重构等效器的硬件资源输出；敏感装置模型输入信息来自实时网络，输出信息给可重构等效器的硬件资源。以激光惯组模型为例，它将从实时仿真网络获取仿真计算机输出的加速度、角速度信息，激光惯组模型经解算、信号转换后，将高速脉冲计数值发送给可重构等效器的硬件资源；执行机构模型输入信息为来自飞行器控制系统弹载控制器或可重构等效器的执行机构等效器的控制指令信息，以及从仿真计算机通过实时仿真网络发送的铰链力矩信息，输出信息为执行机构的反馈信息，如舵偏转反馈。

其次，利用资源配置管理模块中的可编程逻辑器件等资源，实现对多路模拟开关阵列的多通道选择控制，为降低信号通道任意选择组合导致的电路设计复杂性问题，设计中应按飞行器控制系统组件进行信号分组，针对每组信号确定需要切换的信号。如在本实施例中，可将待配置选择的信号分为三组，分别对应弹载控制器信号组、敏感装置信号组和执行机构信号组，确定每组包含最多不超过16路信号，因此，可采用6片多路模拟开关芯片MT8816的级联组合，就可实现3组16通道的选择控制，在可编程逻辑器件EPM570T144开辟3个寄存器区用于存放各组信号使用模式，通过对EPM570T144的硬件编程，实现多路开关的配置选择。各组信号使用模式是指弹载控制器信号、敏感装置信号、执行机构信号是来自飞行器控制系统还是可重构等效器。另外，该模块针对包括仿真计算机、专用等效器、多通道负载台、三轴电动转台和半实物仿真资源接口适配器在内的各个仿真设备生成一张信号调度管理表，该表格包含了每次仿真试验中在实时仿真网络中传输的全部信号，每个仿真设备的调度管理表针对每个信号定义其是否允许操作，在特定仿真模式下，各个仿真设备需要输入哪些信号、输出哪些信号是确定的，因此，每个仿真设备在每种仿真试验模式下都会对应一张唯一的信号调度管理表，资源配置管理模块通过对各个仿真设备的信号调度管理表的管理，即可实现对实时仿真网络交换数据的管理。于是，在仿真过程中，各种仿真设备、半实物仿真资源接口适配器可根据不同仿真模式的要求通过实时仿真网络接收或发送仿真解算数据。如：在真实惯组在回路的仿真试验中，三轴电动转台将从实时仿真网络上获取飞行器姿态运动信息。

然后，根据仿真试验模式的需求，就可实现模拟阵列开关模块的通路选择，从而实现在不改变硬件状态的前提下对飞行器控制系统分组件、可重构等效器和仿真设备之间的调度管理，如图2所示，包括：

其中，各种等效器缺省情况下选用可重构等效器，当系统中有专用等效器时，也可选用专用等效器。

最后，在仿真试验过程中，各种试验模式都可实现全套的飞行器控制系统仿真试验，其信息流如图3所示。敏感装置或其对应等效器，根据仿真计算机输出的姿态、位置等飞行运动模拟信息，输出敏感装置信息给弹载控制器或其对应等效器；弹载控制器或其对应等效器，根据铭感装置信息进行控制律解算，输出控制指令给执行机构或其对应等效器；执行机构或其对应等效器，按照控制指令输出执行机构反馈信息给弹载控制器或其等效器、以及仿真计算机，仿真计算机利用执行机构反馈信息进行飞行运动模型下一步解算，为敏感装置或其对应等效器提供飞行状态模拟信息。

通过对模拟阵列开关的自动控制，灵活地改变飞行器控制系统各分组件及其对应等效仿真资源等接入仿真回路的连接状态，实现高效率、高可靠性的仿真试验模式的切换。

(2)飞行器控制系统更换

半实物仿真资源接口适配器的电路采用“可重构等效器+外扩接口适配板”的方案。可重构等效器由普通PC机或工控机外加接口板卡方式，在计算机或工控机的标准底板总线上配置包括DIO资源、AD资源、DA资源、计数器资源、FPGA资源和微处理器资源等硬件资源，并可非常方便地进行扩展。这样就实现了计算机及其硬件资源的通用化处理；另外，半实物仿真系统中的仿真设备、专用等效器一般也是固定的。因此，由于飞行器控制系统更换而引起的变化主要包括如下三点：一是和飞行器控制系统各个分组件相关的接口电路；一是可重构等效器的硬件接口电路；一是模拟开关阵列电路实现的资源配置管理。对于以上三个问题，本发明采用外扩接口适配板的方案来实现。当更换飞行器控制系统时，只要重新设计和研制外扩接口适配板即可，系统中其它部分都不需要任何更改。外扩接口适配板的设计和研制包括如下几个步骤：

步骤1：明确弹载控制器、敏感装置和执行机构的全部输入、输出信号的电气接口特性；

步骤2：明确可重构等效器的全部输入、输出信号的电气接口特性；

步骤3：针对步骤1、步骤2进行信号处理模块的设计，进行多路模拟开关芯片选型和级联方案设计；

步骤4：完成资源配置管理模块、模拟开关阵列模块和信号处理模块的电路设计；

步骤5：在信号处理模块中根据不同需要进行长线传输处理和抗干扰处理，统一接口规范，进行电路和结构的标准化设计，从而增加适配器可靠性与可维护性，降低飞行器控制系统与半实物仿真系统间的耦合性，使任意型号飞行器控制系统都可通过对应的半实物仿真资源接口适配器与半实物仿真系统连接，实现各种试验模式的仿真试验。长线传输处理可采用电平驱动或电流环驱动方式。抗干扰处理采用高频滤波处理电路。

当不同型号的飞行器控制系统纳入本半实物仿真系统开展仿真评估时，仅需更换新的外扩接口适配板，完成组件模型构造模块的软件设计工作，进行相应资源管理配置即可，无需修改半实物仿真系统的其他设备，有利于半实物仿真系统的状态管理，同时也减少了因半实物仿真系统本身而引起的控制与仿真的匹配性问题。此外，经过仿真资源接口适配器的切换，可不改变其他仿真设备状态的前提下，实现多方案或多型号飞行器控制系统的切换，从而开展多个飞行器控制系统的仿真试验。

(3)飞行器控制系统设计的半实物仿真验证

传统的飞行器控制系统在设计阶段往往没有各个分组件实物，设计验证工作仅仅停留在数学仿真层面，无法进行全面评估。并且，由于飞行器控制系统设计平台与半实物仿真试验平台均要用到总体参数、气动模型、运动模型、发动机模型等等，平台的不同造成大批量数据切换的复杂性，导致不确定性设计风险增大。由于半实物仿真系统中完全覆盖了飞行器控制系统设计平台所涉及的各种模型和参数，特别是本发明利用可重构等效器实现了飞行器控制系统的各个组件的等效模拟，从而将飞行器控制系统的各项设计工作纳入到半实物仿真平台来开展，并且可利用可重构等效器模拟飞行器控制系统的全部组件，从而实现在无飞行器控制系统实物的条件下，也就是在设计阶段，就可以开展较为全面的设计验证工作，从而将飞行器控制系统设计与仿真试验统一到相同的试验平台，极大提高了飞行器控制系统设计效率，降低了设计风险，缩短了研制周期。

在飞行器控制系统研制过程中，通过开展弹载控制器等效器、敏感装置等效器或执行机构等效器在回路的仿真试验，可在快速开展半实物仿真验证，不断优化调整控制律、敏感装置和执行机构的模型，实现飞行器控制系统的理论设计；通过对可重构等效器的设计，实现敏感装置、执行机构和弹载控制器的等效模拟，实现飞行器控制系统的快速原型开发，为飞行器控制系统的样机研制提供设计依据；在飞行器控制系统各研制阶段中，其原理样机、初样/试样产品都可纳入半实物仿真系统开展仿真评估；从而实现了飞行控制系统的快速原型开发、原理样机研制、初样/试样产品研制等各个研制阶段的数学仿真和半实物仿真，将飞行器控制系统设计与仿真试验统一到相同的试验平台，使半实物仿真系统不仅具备对飞行器控制系统评估功能，而且还有飞行器控制系统设计功能，实现飞行器控制系统设计平台和仿真试验平台的统一。

Claims (4)

1.一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，其特征在于：包括资源配置管理模块、模拟阵列开关模块、信号处理模块和可重构等效器；

所述资源配置管理模块根据仿真试验模式的需求，控制模拟阵列开关模块进行通道选择，以及对实时仿真网络的数据交换内容进行调度管理；

所述模拟阵列开关模块用于对飞行器控制系统各分组件、可重构等效器和各种仿真设备之间的切换；

所述信号处理模块对飞行器控制系统分组件、可重构等效器的输入输出信号进行信号转换；

所述可重构等效器对飞行器控制系统各个分组件或者仿真所需外部环境进行等效模拟。

2.根据权利要求1所述一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，其特征在于所述资源配置管理模块调用仿真模式及其对应的各仿真设备上的信号调度管理表，信号调度管理表设置了该仿真设备每路输入或输出信号是否允许操作。

3.根据权利要求1一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，其特征在于所述的模拟阵列开关模块，按飞行器控制系统分组件进行信号分组，针对每组信号确定需要切换的信号，进行多通道模拟开关切换。

4.根据权利要求1一种飞行器控制系统半实物仿真资源接口适配器，其特征在于所述可重构等效器，包括组件模型构造模块和各种硬件资源；硬件资源包括数字输入输出(DIO)资源、模拟采集(AD)资源、模拟输出(DA)资源、计数器资源、可编程逻辑器件(FPGA)资源、微处理器资源和扩展资源接口部分；所述组件模型构造模块实现飞行器控制系统分组件的等效模拟。